路基路面-行车荷载、环境因素、材料的力学特性 (1)

三、汽车对道路的静态压力
1、汽车对道路的作用 停驻状态：对道路的作用力为静态垂直压力。 行驶状态：对道路的作用力为动态垂直压力、水 平力、 振动力。 2、汽车对道路的静态压力 静载的大小与车辆的总质量及轮轴的形式有关。 影响静态垂直压力大小的因素： （1）汽车轮胎的内压力pi； （2）轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形状； （3）轮载的大小。



汽车货运朝大型重载方向发展，货车的 总重量有 增加趋势，超载运输问题在我 国日益突出。 要发展多轴多轮。 对超载的定义：2000年2月，交通部《超 限运输车辆行驶公路管理条例》规定： “单轴（每侧单轮胎）载质量6000kg，单 轴（每侧双轮胎）载质 量10000kg，双联 轴（每侧双轮胎）载质量 18000kg。”附 则第二十九条规定，单轴轴载最 大不得 超过13000kg。
第二章 行车荷载、环境因素、 材料的力学特性
基本内容
第一节 行车荷载
第二节 环境因素影响 第三节 土基的力学强度特性 第四节 土基的承载能力 第五节 路基的变形破坏及防治
第六节 路面材料的力学强度特性
第七节 路面材料的累积变形及疲劳特性
第一节 行车荷载
研究行车荷载的原因：



1、汽车是路基路面的主要服务对象，又是造成 路基路面结构损坏的主要成因。 2、汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、 持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量 影响路面的使用性能。 3、汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原 因。要做好路基路面结构设计，必须对行车荷 载进行分析。
行车荷载的主要研究内容：


车辆的种类； 汽车的轴型； 汽车对道路的静态压力； 运动车辆对道路的动态影响； 交通分析。
一、车辆的种类
道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。 客车：小客车、中客车、大客车； 货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。

汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构 设计主要以轴重作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合 中，重型货车和大客车起决定作用。对于小客车，则主要 对路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较高的要 求。

重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积： （1）土体逐渐被压密,每次的塑性变形量逐渐减小, 直至最后稳定,这种不会导致土体产生剪切破坏. （2）每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪 切变形,形成能引起土体整体破坏的剪裂面,最后达 到破坏。

在重复应力低于临界值的范围内 , 总应变的累积规律在半 对数(或对数)坐标上一般呈线性关系,可表示为 ε1=a+blgN 式中：a ——应力一次作用下的初始应变； b——应变增长回归系数； N——应力重复作用次数。
五、交通分析
1.交通量 交通量——在一定时间间隔内各类车辆通过某 一断面的数量。 年平均日交通量——在一年365天内的交通量之 和除以365天。 交通量调查方法——直接记录、自动记录仪。 交通量年平均增长率 设计年限内累计交通量 2.轴载组成与轴载换算 轴载换算——道路上行驶的车辆轴载与通行次 数可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当 量通行次数。 我国的标准轴载为BZZ-100。
（2）行驶荷载的特性 振动性 瞬时性 重复性
车辆行使过程中的动态响应和随机动力荷载图
F(t)
P0
0
t

汽车在路面上行使过程中，由于车辆自身各种因 素（如发动机偏心转动、轮胎花纹、燃料不均匀、 驾驶员操作不稳定等）、地面的不平整度以及辆— 地面相互作用耦合，会使产生车体跳起与颠簸、车 轴跳起与颠簸的现象、从而使车辆与路面振动， 产生使路面受到随机动力荷载，即荷载大小随时间 随机变化。
汽车轮重：计算时，假定车轮荷载为一圆形均布垂 直荷载，路基为一弹性均质半空间体。 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力σz可以用 近似如下公式计算。 P

Z K
Z2
P：一侧轮重荷载（kN）； K: 系数，一般取0.5； Z：荷载中心下应力作用点的深度（m）。

路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直 压应力σB按下式计算：
整车类：前轴、后轴。 牵引式半拖车类：牵引车：前轴、后轴；拖车： 后轴（单轴或双轴）。 拖车类：由一辆或多辆组成，各配有前后二根 单轴或单前轴和双后轴。 轴载的大小直接关系到路面结构的设计承载力 与结构强度。各个国家均对轴重的最大限度有 明确的规定。我国公路与城市道路设计规范中 均以100kN作为标准轴重。目前我国公路是行 使的车辆，后轴轴载一般在60～130kN范围内。
胎 壁 受 拉
胎压
胎 壁 受 压
高压轮胎
触压力
低压轮胎
轮胎/路面接触面与接触应力
轮迹
对于低压轮胎：接触压力大于胎压 对于高压轮胎：接触压力小于胎压 在工程设计中，对接触压力进行如下简化：

以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即p=pi， 接触形状为圆形， 接触面上的压力为均匀分布
即将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载， 并采用轮胎内压作为轮胎接触压力p。
3、土基的流变性质

土是具有流变性质材料：在荷载作用下的变形不 仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用时间有关。 回弹变形与荷载的作用时间关系不大，塑性变形 与荷载的作用时间关系大，土的流变性主要同塑性 变形有关。 车辆行驶时，车辆荷载对路基的作用时间短，产 生的塑性变形比静载长期作用下的塑性变形小得多。 可以在一般情况下，不考虑土基的流变性质。

二、公路路面的湿度状况
1.对路基的影响 冻胀翻浆（与温度作用共同进行） 过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性 2.做好路基路面排水的重要性

第三节 土基的力学强度特性
一、路基受力状况 路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载。
在路基上部靠近路面结构的一定深度内，路基土主要承受 车辆荷载的影响。正确的设计应保证路基所受的力在路基弹性 限度以内，当车辆驶过后，路基能立即恢复原状，以保证路基 的相对稳定，路面不致引起破坏。
第二节 环境因素影响

环境因素影响主要表现在温度和湿度。 温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环 境因素。


路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部温 度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。 路基土和路面材料的体积随路面体系内的温度和 湿度升降而胀缩（胀缩因某种原因受到约束而不能 实现时，路基和路面结构内便会产生附加应力，即 温度应力和湿度应力）。
B
γ：土的容重（kN/m3）； Z:应力作用点深度（m）。 路基内任一点处的垂直应力 包括由车轮荷载引起的σz和由土基 自重引起的σB。
二、路基工作区
概念：在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的 垂直应力σ z与路基土自重引起的垂直应力相比所 占比例很小，仅为1／10～1／5时，该深度Za范围内 的路基称为路基工作区。 确定：路基工作区深度Za可以用下式计算。
第四节 土基的承载能力
路基作为路面结构的基础，它的抵抗车轮荷 载能力的大小，主要决定于路基顶面在一定应 力级位下抵抗变形的能力。
用于表征土基承载力的主要参数指标： 回弹模量 地基反应模量 加州承载比(CBR)
一、土基回弹模量
以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土 基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以 应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。 有两种承载板可以用于测定土基回弹模量： １、柔性压板：用柔性压板测定回弹模量，土基与 压板之间的接触压力为常量，即：
Za
3
KnP

式中:Za——路基工作区深度,m；
p——一侧轮重荷载,MPa； K——系数，取0.5；
γ——土的容重,kN/m3；
n——系数,n＝5～10。

在工作区范围内的路基,对于支承路面结构和车 轮荷载影响较大,在工作区范围以外的路基,影响逐 渐减小。 路基工作区内,土基的强度和稳定性对保证路面 结构的强度和稳定性极为重要,对工作区范围内的 土质选择、路基的压实度应提出较高的要求。
p( r ) P
a 2
承载板的挠度l(r)与坐标r有关，在压板中心处 (r＝0)，即：
l r 0 2 pa(1 2 ) E
在柔性压板边缘处r＝a，其挠度可以按下式计算：
lr a
4 pa(1 2 ) E
２ 、刚性承载板:

板底接触压力则随r值的变化，成鞍形分布。其挠度 值与接触压力p值可分别按下式计算。

三、路基土的应力一应变特性
1、路基土的非线性变形特性
f ( )
土应力一应变的非线性特性由三轴压缩试 验的结果表明： 土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分 土是非线弹性： 具有塑性变形体 ：

2、土基的荷载－弯沉关系

荷载作用下土基内的应力沿竖向和水平方向都 是变化的，因而土基内各点的模量值是不同的。
当量圆半径δ可以按下式确定。

P p
式中：P——作用在车轮上的荷载，kN； p——轮胎接触压力，kpa； δ——接触面当量圆半径，m。 轮胎与路面的接触形状如下图所示：
四、 运动车辆对道路的动态影响
（1）水平力（与运动状态有关）
运动状态 汽车等速行驶 加速和上坡行驶 减速和下坡行驶 在弯道上行驶 方向 与汽车行驶方向相反 与汽车行驶方向相反 与汽车行驶方向相同 与汽车行驶方向垂直 大小 较小 最大 最大 较大


四、重复荷载对路基土的影响
土基在重复荷载作用下产生的塑性变形积累，最 终将导致何种状况，主要取决于： （1）土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、 结构 状态）； （2）重复荷载的大小以重复荷载同一次静载下达 到的极限强度之比来表示，即相对荷载； （3）荷载作用的性质，即重复荷载的施加速度， 每次作用的持续时间以及重复作用的频率； （4）土基中侧向应力的大小。